Hawking模块化中型机器人

西北工业大学

褚 原，张春雨，喻世霖，卢军汀，张钶翊

1 作品简介

近年来，机器人与人工智能技术、先进制造技术和移动互联网技术的融合发展，推动了国民生活方式的不断改变，智能机器人逐渐走入人们的日常生活，在医疗、运输、教育等方面发挥着越来越重要的作用。我们团队基于时代发展与市场需求，开发了Hawking模块化中型机器人。不同于传统的通用型机器人，模块化设计增强了机器人的可扩展性和多功能性，用户可根据需要进行简单的拆卸安装更换机器人的使用功能，解决了机器人功能单一等问题。

Hawking模块化中型机器人具有自主导航无人消毒车、全自主无人物流运输车和自主空气净化车功能模块，可用于办公室、医院、餐厅等场所的日常消毒、物品运送和空气净化。

2 技术原理

产品以四轮自主全向平台为基础，采用模块化处理，搭载消毒雾化器、消毒紫外灯模块或多层货物架模块，实现无人区域的消毒或货物运输。该机器人装配有激光雷达进行导航，可实现精准的点对点存取、搬运，以及大体积运输，还可按照规划的路线对室内消毒。该中型机器人基于ROS机器人操作系统开发，采用2D激光SLAM算法cartographer进行实时定位建图，采用基于A*算法和DWA算法进行全局和局部路径规划，实现点到点自主导航。产品器件包括全向轮、电机、驱动器、控制器、击球杆、击球板、气缸、电磁铁等。

硬件采用上、下位机结合的控制方式：上位机使用计算机平台，基于Qt开发平台实现对目标物的识别，并控制机器人动作；下位机使用STM32F1单片机，采用PID控制算法计算当前的行进角度，引入负反馈闭环控制，减小与初始行进角度的误差。利用CAN通信协议对电机进行控制。系统电路板利用Altium Designer软件设计：电路板采用模块化设计，既可以很好地保证系统稳定性，还能在出现问题时快速查明原因。硬件主要包括电源管理模块、通信模块、核心控制模块、扩展模块。

3 项目创新点

本产品的创新点在于硬件采用模块化设计，实现“1+N”功能，即一个通用的Hawking中型机器人底盘可以安装消毒套件、运输套件等模块。通过简单拆卸即可快速更换功能模块，实现一车多用。产品软件采用平台式设计，以ROS机器人操作系统为基础进行开发，充分利用ROS的可扩展性和多模块性，通过对各功能模块的功能包进行开发、封装，可直接加入已有软件系统，方便用户进行新功能软件的扩展。

2D激光SLAM算法基于开源算法框架cartographer，精度较高，成本较低。相比gmapping算法，该算法不依赖里程计信息；相比hector_slam算法，该算法不依赖激光雷达。团队将基于模型的方法和基于线性的方法结合，应用于激光数据预处理阶段的里程计标定，提高了数据质量与slam算法的精度。

建立机器人底盘传递函数，对系统响应做出精确控制，同时在里程计中将姿态融合滤波后的信息加入系统的反馈中，利用卡尔曼滤波对机器人的位置和速度进行递推估计，减少打滑、碰撞等原因造成的姿态估计误差。在同等控制指令下，本轮式平台拥有更好的动态响应能力和更小的静态误差，在协助激光雷达进行定位和动态位置估计方面有着更好的表现。

产品的正交四轮结构承重性好，误差可控，底盘稳定性高。使用高精度6轴陀螺仪与里程计融合，与传统仅依靠激光雷达或者利用视觉信息进行定位建图相比，能够提高地图精度。

大容量锂电池相比柴油发电机和铅蓄电池污染小，单次服务面积大，高能量密度显著提高了续航时间，充电快，易拆卸。

产品智能化喷洒控制系统能够提高药液利用率，根据工作环境复杂度、喷洒面积的不同，智能调整喷洒时间和雾化器功率，在保证消毒效果的同时降低损耗。